冷冻显微镜揭示了与生命起源有关的纳米尺寸复印机
生命的复杂分子机制是如何从简单的开始产生的一直是一个长期存在的问题。多条证据指向原始的 “RNA世界”，其中“RNA复制机”(所谓的复制酶)开始复制自身和其他RNA分子，以启动进化和生命本身。然而，古老的复制酶似乎已经随着时间的流逝而消失，它在现代生物学中的作用已被更高效的蛋白质机器所取代。为了支持 RNA 世界假说，研究人员一直在寻求在实验室中重新创建 RNA 复制酶的等价物。虽然这种古代复制酶的分子“分身”已经被发现，但由于难以确定动态 RNA 分子的结构，它们的详细分子结构和作用模式仍然难以捉摸。
喜冰RNA复制酶的结构
在《PNAS》上发表的一篇研究论文中，一组研究人员现在使用低温电子显微镜 (cryo-EM) 报告了 RNA 复制酶的第一个原子结构。正在研究的 RNA 复制酶由 Holliger 实验室(英国剑桥 MRC LMB)开发，可在共晶冰相(类似于冰雪)中使用核苷酸三联体有效复制长模板。现任奥尔胡斯大学助理教授的 Emil L. Kristoffersen 从 Holliger 实验室博士后研究归来，促进了与 Andersen 实验室(丹麦奥尔胡斯大学)的合作，通过冷冻电镜确定 RNA 复制酶的结构。有趣的是，该结构与基于蛋白质的聚合酶具有惊人的相似性，其模板结合、聚合和底物识别的结构域排列成类似张开的手的分子形状。
“令人惊讶的是，我们在试管中人工进化的核酶将显示出天然存在的蛋白质聚合酶的特征。这表明进化可以发现趋同的分子解决方案，无论材料是 RNA 还是蛋白质”，Philipp Holliger 解释道，英国剑桥 MRC LMB 项目负责人。
RNA 世界中的 RNA 合成模型
为了更好地了解 RNA 复制酶的工作原理，研究人员进行了全面的突变研究，以突出 RNA 结构的关键元素。该分析证实了催化位点的特征，但也揭示了两种所谓的接吻环相互作用(将支架和催化亚基结合在一起)的重要性，以及特定 RNA 结构域对于保真度的重要性，即准确性复制酶用它来复制 RNA 链。虽然研究人员无法确定主动复制 RNA 时“起作用”的复制酶的结构，但有可能建立一个与所有实验数据一致的基于 RNA 的 RNA 复制模型。
“冷冻电镜是研究 RNA 分子结构和动力学特征的强大方法。通过将冷冻电镜数据与实验相结合，我们能够建立这个复杂 RNA 机器内部运作的模型”，Ewan McRae 告诉，他在奥胡斯大学安德森实验室担任博士后从事冷冻电镜工作，但现在在美国德克萨斯州休斯顿卫理公会研究所成立了自己的研究小组。
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